Būtų naudinga pradėti nuo alkanų sąvokos apibrėžimo. Tai yra sotieji arba sotieji.Taip pat galime pasakyti, kad tai yra anglies atomai, kuriuose C atomų jungimas vyksta paprastais ryšiais. Bendroji formulė yra: CnH₂n+ 2.
Yra žinoma, kad H ir C atomų skaičiaus santykis jų molekulėse yra didžiausias, palyginti su kitomis klasėmis. Dėl to, kad visus valentus užima arba C, arba H, alkanų cheminės savybės nėra aiškiai išreikštos, todėl antrasis jų pavadinimas yra frazė sotieji arba sotieji angliavandeniliai.
Taip pat yra senesnis pavadinimas, kuris geriausiai atspindi jų santykinį cheminį inertiškumą – parafinai, o tai reiškia „be giminingumo“.
Taigi, mūsų pokalbio tema šiandien yra: „Alkanai: homologinės serijos, nomenklatūra, struktūra, izomerizmas“. Taip pat bus pateikti duomenys apie jų fizines savybes.
Alkanai: struktūra, nomenklatūra
Juose C atomai yra tokioje būsenoje, kuri vadinama sp3 hibridizacija. Šiuo atžvilgiu alkano molekulė gali būti parodyta kaip tetraedrinių C struktūrų rinkinys, sujungtas ne tik viena su kita, bet ir su H.
Tarp C ir H atomų yra stiprios, labai žemos polinės s-jungtys. Atomai visada sukasi aplink paprastus ryšius, todėl alkano molekulės įgauna įvairias formas, o ryšio ilgis ir kampas tarp jų yra pastovios reikšmės. Formos, kurios virsta viena į kitą dėl molekulės sukimosi aplink σ ryšius, dažniausiai vadinamos konformacijomis.
H atomo abstrahavimo procese iš nagrinėjamos molekulės susidaro 1-valentės rūšys, vadinamos angliavandenilių radikalais. Jie atsiranda ne tik dėl neorganinių junginių, bet ir dėl. Jei iš sočiųjų angliavandenilių molekulės atimsite 2 vandenilio atomus, gausite 2-valenčių radikalus.
Taigi alkanų nomenklatūra gali būti tokia:
- radialinis (senoji versija);
- pakeitimas (tarptautinis, sisteminis). Jį pasiūlė IUPAC.
Radialinės nomenklatūros ypatybės
Pirmuoju atveju alkanų nomenklatūra apibūdinama taip:
- Angliavandenilių svarstymas kaip metano dariniai, kuriuose 1 ar keli H atomai pakeisti radikalais.
- Didelis patogumo laipsnis ne itin sudėtingų jungčių atveju.
Pakaitinės nomenklatūros ypatumai
Pakaitinė alkanų nomenklatūra turi šias savybes:
- Pavadinimo pagrindas yra 1 anglies grandinė, o likę molekuliniai fragmentai laikomi pakaitais.
- Jei yra keli identiški radikalai, skaičius nurodomas prieš jų pavadinimą (griežtai žodžiais), o radikalų skaičiai atskiriami kableliais.
Chemija: alkanų nomenklatūra
Patogumui informacija pateikiama lentelės forma.
Medžiagos pavadinimas | Vardo pagrindas (šaknis) | Molekulinė formulė | Anglies pakaitalo pavadinimas | Anglies pakaitalų formulė |
Aukščiau pateikta alkanų nomenklatūra apima istoriškai susiklosčiusius pavadinimus (pirmieji 4 sočiųjų angliavandenilių serijos nariai).
Neišsiplėtusių alkanų, turinčių 5 ar daugiau C atomų, pavadinimai yra kilę iš graikiškų skaitmenų, kurie atspindi nurodytą C atomų skaičių.Taigi priesaga -an rodo, kad medžiaga yra iš sočiųjų junginių serijos.
Sudarant nesulankstytų alkanų pavadinimus, pagrindinė grandinė yra ta, kurioje yra didžiausias C atomų skaičius.Ji numeruojama taip, kad pakaitų skaičius būtų mažesnis. Dviejų ar daugiau vienodo ilgio grandinių atveju pagrindinė tampa ta, kurioje yra didžiausias pakaitų skaičius.
Alkanų izomerizmas
Pagrindinis jų serijos angliavandenilis yra metanas CH₄. Su kiekvienu paskesniu metano serijos atstovu metileno grupėje - CH₂ pastebimas skirtumas nuo ankstesnio. Šį modelį galima atsekti visoje alkanų serijoje.
Vokiečių mokslininkas Schielis pateikė pasiūlymą šią seriją pavadinti homologine. Išvertus iš graikų kalbos, tai reiškia „panašus, panašus“.
Taigi, homologinė serija yra susijusių organinių junginių, turinčių tą pačią struktūrą ir panašias chemines savybes, rinkinys. Homologai yra tam tikros serijos nariai. Homologinis skirtumas yra metileno grupė, kurioje skiriasi 2 gretimi homologai.
Kaip minėta anksčiau, bet kurio sočiųjų angliavandenilių sudėtis gali būti išreikšta naudojant bendrą formulę CnH₂n + 2. Taigi, kitas homologinės serijos narys po metano yra etanas - C2H₆. Norint paversti jo struktūrą iš metano, 1 H atomą reikia pakeisti CH3 (paveikslas žemiau).
Kiekvieno paskesnio homologo struktūra gali būti išvedama iš ankstesnio vienodai. Dėl to iš etano - C3H8 susidaro propanas.
Kas yra izomerai?
Tai medžiagos, turinčios vienodą kokybinę ir kiekybinę molekulinę sudėtį (identišką molekulinę formulę), bet skirtingą cheminę struktūrą, taip pat turinčias skirtingas chemines savybes.
Aukščiau aptarti angliavandeniliai skiriasi tokiu parametru kaip virimo temperatūra: -0,5° - butanas, -10° - izobutanas. Šis izomerijos tipas vadinamas anglies skeleto izomerija; jis priklauso struktūriniam tipui.
Didėjant anglies atomų skaičiui, struktūrinių izomerų skaičius sparčiai didėja. Taigi, C10H22 atitiks 75 izomerus (neįskaitant erdvinių), o C15H3₂ jau žinomi 4347 izomerai, o C20H42 - 366 319.
Taigi, jau tapo aišku, kas yra alkanai, homologinės serijos, izomerija, nomenklatūra. Dabar verta pereiti prie pavadinimų sudarymo pagal IUPAC taisyklių.
IUPAC nomenklatūra: pavadinimų formavimo taisyklės
Pirma, angliavandenilio struktūroje reikia rasti ilgiausią anglies grandinę, kurioje yra didžiausias pakaitų skaičius. Tada reikia sunumeruoti grandinės C atomus, pradedant nuo galo, kuriam pakaitalas yra arčiausiai.
Antra, bazė yra neišsišakojusio sočiojo angliavandenilio, kuris pagal C atomų skaičių atitinka pagrindinę grandinę, pavadinimas.
Trečia, prieš bazę būtina nurodyti lokantų, šalia kurių yra pakaitai, numerius. Po jų brūkšneliu rašomi pakaitų pavadinimai.
Ketvirta, tuo atveju, kai skirtinguose C atomuose yra vienodų pakaitų, lokantai sujungiami, o prieš pavadinimą atsiranda dauginamasis priešdėlis: di – dviem identiškiems pakaitams, trys – trims, tetra – keturi, penta – penkiems. ir tt Skaičiai turi būti atskirti vienas nuo kito kableliu, o nuo žodžių – brūkšneliu.
Jei tame pačiame C atome iš karto yra du pakaitai, lokantas taip pat rašomas du kartus.
Pagal šias taisykles formuojama tarptautinė alkanų nomenklatūra.
Newmano projekcijos
Šis amerikiečių mokslininkas pasiūlė specialias projekcijų formules grafiniam konformacijų demonstravimui – Newmano projekcijas. Jie atitinka A ir B formas ir pateikiami toliau pateiktame paveikslėlyje.
Pirmuoju atveju tai yra A užkimšta konformacija, o antruoju - B slopinama konformacija. A padėtyje H atomai yra mažiausiu atstumu vienas nuo kito. Ši forma atitinka didžiausią energetinę vertę dėl to, kad atstūmimas tarp jų yra didžiausias. Tai energetiškai nepalanki būsena, dėl kurios molekulė linkusi ją palikti ir pereiti į stabilesnę padėtį B. Čia H atomai yra kuo toliau vienas nuo kito. Taigi energijos skirtumas tarp šių padėčių yra 12 kJ/mol, dėl to laisvas sukimasis aplink ašį etano molekulėje, jungiančioje metilo grupes, yra netolygus. Patekusi į energetiškai palankią padėtį, molekulė ten pasilieka, kitaip tariant, „sulėtėja“. Štai kodėl jis vadinamas slopintu. Rezultatas yra tai, kad 10 tūkstančių etano molekulių yra slopintos konformacijos formos kambario temperatūroje. Tik vienas kitokios formos – užtemdytas.
Sočiųjų angliavandenilių gavimas
Iš straipsnio jau tapo žinoma, kad tai alkanai (jų struktūra ir nomenklatūra buvo išsamiai aprašyta anksčiau). Būtų naudinga apsvarstyti būdus, kaip juos gauti. Jie išsiskiria iš natūralių šaltinių, tokių kaip nafta, natūralūs ir anglis. Taip pat naudojami sintetiniai metodai. Pavyzdžiui, H₂ 2H₂:
- Hidrinimo procesas CnH₂n (alkenai) → CnH₂n+2 (alkanai)← CnH₂n-2 (alkinai).
- Iš C ir H monoksido mišinio - sintezės dujos: nCO+(2n+1)H₂→ CnH₂n+2+nH2O.
- Iš karboksirūgščių (jų druskų): elektrolizė prie anodo, prie katodo:
- Kolbės elektrolizė: 2RCOONa+2H₂O→R-R+2CO₂+H₂+2NaOH;
- Dumas reakcija (lydinys su šarmu): CH3COONa+NaOH (t)→CH₄+Na2CO3.
- Alyvos krekingas: CnH₂n+2 (450-700°) → CmH₂m+2+ Cn-mH₂(n-m).
- Kuro dujinimas (kietas): C+2H₂→CH4.
- Kompleksinių alkanų (halogeno darinių), turinčių mažiau C atomų, sintezė: 2CH3Cl (chlormetanas) +2Na →CH3- CH3 (etanas) +2NaCl.
- Metanidų (metalų karbidų) skaidymas vandeniu: Al₄C3+12H₂O→4Al(OH3)↓+3CH4.
Sočiųjų angliavandenilių fizinės savybės
Patogumui duomenys sugrupuojami į lentelę.
Formulė | Alkanas | Lydymosi temperatūra °C | Virimo temperatūra °C | Tankis, g/ml |
0,415 esant t = -165°С |
||||
0,561 esant t= -100°C |
||||
0,583, kai t = -45°C |
||||
0,579, kai t = 0 °C |
||||
2-metilpropanas | 0,557, kai t = -25°C |
|||
2,2-dimetilpropanas | ||||
2-metilbutanas | ||||
2-metilpentanas | ||||
2,2,3,3-tetrametilbutanas | ||||
2,2,4-trimetilpentanas | ||||
n-C10H22 | ||||
n-C11H24 | n-Undecane | |||
n-C12H26 | n-dodekanas | |||
n-C13H28 | n-Tridekanas | |||
n-C14H30 | n-tetradekanas | |||
n-C15H32 | n-pentadekanas | |||
n-C16H34 | n-heksadekanas | |||
n-C20H₄2 | n-eikozanas | |||
n-C3₀H₆2 | n-Triakontanas | 1 mmHg Šv | ||
n-C40H82 | n-tetrakontanas | 3 mmHg Art. | ||
n-C5₀H₂₀₂ | n-pentakontanas | 15 mmHg Art. | ||
n-C₆₀H₂22 | n-heksakontanas | |||
n-C7₀H₁42 | n-heptakontanas | |||
n-C100H202 |
Išvada
Straipsnyje buvo nagrinėjama tokia sąvoka kaip alkanai (struktūra, nomenklatūra, izomerija, homologinės serijos ir kt.). Šiek tiek kalbama apie radialinės ir pakaitinės nomenklatūros ypatybes. Aprašomi alkanų gavimo būdai.
Be to, straipsnyje išsamiai išvardijama visa alkanų nomenklatūra (testas gali padėti įsisavinti gautą informaciją).
Lentelėje parodyti kai kurie alkanų ir jų radikalų atstovai.
|
Formulė |
vardas |
Radikalus pavadinimas |
|||||||||||
|
CH3 metilas |
|||||||||||||
|
C3H7 pjūvis |
|||||||||||||
|
C4H9 butilas |
|||||||||||||
|
izobutanas |
izobutilas |
||||||||||||
|
izopentano |
izopentilas |
||||||||||||
|
neopentano |
neopentilas |
||||||||||||
|
Lentelėje matyti, kad šie angliavandeniliai vienas nuo kito skiriasi grupių skaičiumi – CH2 – Tokia panašių struktūrų, turinčių panašias chemines savybes ir besiskiriančių viena nuo kitos šių grupių skaičiumi, serija vadinama homologine seka. O medžiagos, sudarančios jį, vadinamos homologais. Homologai - medžiagos, panašios savo struktūra ir savybėmis, tačiau savo sudėtimi skiriasi vienu ar keliais homologiniais skirtumais (-CH2-)
Anglies grandinė – zigzagas (jei n ≥ 3) σ - jungtys (laisvas sukimasis aplink jungtis) ilgis (-C-C-) 0,154 nm surišimo energija (-C-C-) 348 kJ/mol Visi alkano molekulėse esantys anglies atomai yra sp3 hibridizacijos būsenoje
kampas tarp C-C ryšių yra 109°28", todėl normalių alkanų, turinčių daug anglies atomų, molekulės turi zigzaginę struktūrą (zigzagą). C-C jungties ilgis sočiuosiuose angliavandeniliuose yra 0,154 nm (1 nm = 1). *10-9 m). a) elektroninės ir struktūrinės formulės; b) erdvinė struktūra
4. Izomerizmas- Būdinga STRUKTŪRINĖ grandinės izomerija su C4 Vienas iš šių izomerų ( n-butanas) turi nešakotą anglies grandinę, o kita, izobutanas, turi šakotą (izostruktūrą). Anglies atomai šakotoje grandinėje skiriasi jungties su kitais anglies atomais tipu. Taigi vadinamas anglies atomas, sujungtas tik su vienu kitu anglies atomu pirminis, su kitais dviem anglies atomais - antraeilis, su trimis - tretinis, su keturiais - ketvirtinis. Didėjant anglies atomų skaičiui molekulėse, didėja galimybės grandinės išsišakojimui, t.y. izomerų skaičius didėja didėjant anglies atomų skaičiui. Lyginamosios homologų ir izomerų charakteristikos
1. Jie turi savo nomenklatūrą radikalai(angliavandenilių radikalai)
| |||||||||||||
Cheminiu požiūriu alkanai yra angliavandeniliai, tai yra, bendroji alkanų formulė apima tik anglies ir vandenilio atomus. Be to, kad šiuose junginiuose nėra jokių funkcinių grupių, jie susidaro tik per pavienius ryšius. Tokie angliavandeniliai vadinami sočiaisiais.
Alkanų rūšys
Visus alkanus galima suskirstyti į dvi dideles grupes:
- Alifatiniai junginiai. Jų struktūra turi linijinės grandinės formą, bendra alifatinių alkanų formulė yra C n H 2n+2, kur n yra anglies atomų skaičius grandinėje.
- Cikloalkanai. Šie junginiai turi ciklinę struktūrą, todėl jų cheminės savybės labai skiriasi nuo linijinių junginių. Visų pirma, dėl šio tipo alkanų struktūrinės formulės jų savybės yra panašios į alkinus, tai yra, angliavandenilius, turinčius trigubą ryšį tarp anglies atomų.
Elektroninė alifatinių junginių struktūra
Ši alkanų grupė gali turėti linijinę arba šakotą angliavandenilių grandinę. Jų cheminis aktyvumas yra mažas, palyginti su kitais organiniais junginiais, nes visi ryšiai molekulėje yra prisotinti.
Alifatinių alkanų molekulinė formulė rodo, kad jų cheminė jungtis turi sp 3 hibridizaciją. Tai reiškia, kad visi keturi kovalentiniai ryšiai aplink anglies atomą yra visiškai vienodi savo charakteristikomis (geometrinėmis ir energetinėmis). Esant tokio tipo hibridizacijai, anglies atomų s ir p lygių elektronų apvalkalai turi tą pačią pailgą hantelio formą.
Tarp anglies atomų ryšys grandinėje yra kovalentinis, o tarp anglies ir vandenilio atomų jis yra iš dalies poliarizuotas, o elektronų tankis traukiamas į anglį, kaip į labiau elektronegatyvų elementą.
Iš to išplaukia, kad jų molekulėse yra tik C-C ir C-H jungtys. Pirmieji susidaro persidengus dviem elektronais hibridizuotoms dviejų anglies atomų sp 3 orbitalėms, o antrieji susidaro persidengus vandenilio s orbitalei ir anglies sp 3 orbitalei. C-C jungties ilgis yra 1,54 angstremo, o C-H jungties ilgis yra 1,09 angstremo.
Metano molekulės geometrija
Metanas yra paprasčiausias alkanas, susidedantis tik iš vieno anglies atomo ir keturių vandenilio atomų.
Dėl trijų 2p ir vienos 2s orbitalių energijos lygybės, gautos dėl sp 3 hibridizacijos, visos erdvės orbitalės yra viena kitos atžvilgiu vienodu kampu. Jis lygus 109,47°. Dėl tokios molekulinės struktūros erdvėje susidaro kažkas panašaus į trikampę lygiakraštę piramidę.
Paprasti alkanai
Paprasčiausias alkanas yra metanas, susidedantis iš vieno anglies atomo ir keturių vandenilio atomų. Po metano alkanų serijoje propaną, etaną ir butaną sudaro atitinkamai trys, du ir keturi anglies atomai. Pradedant nuo penkių anglies atomų grandinėje, junginiai pavadinti pagal IUPAC nomenklatūrą.
Lentelė su alkanų formulėmis ir jų pavadinimais pateikiama žemiau:
Kai iš alkano molekulės prarandamas vienas vandenilio atomas, susidaro aktyvus radikalas, kurio galas iš „an“ pasikeičia į „il“, pavyzdžiui, etanas C 2 H 6 - etilas C 2 H 5. Alkano etano struktūrinė formulė parodyta nuotraukoje.
Organinių junginių nomenklatūra
Alkanų ir jais pagrįstų junginių pavadinimų nustatymo taisykles nustato tarptautinė IUPAC nomenklatūra. Organiniams junginiams taikomos šios taisyklės:
- Cheminio junginio pavadinimas pagrįstas ilgiausios anglies atomų grandinės pavadinimu.
- Anglies atomų numeracija turėtų prasidėti nuo galo, arčiau kurio grandinė pradeda šakotis.
- Jei junginyje yra dvi ar daugiau vienodo ilgio anglies grandinių, tai pagrindine pasirenkama ta, kuri turi mažiausiai radikalų ir yra paprastesnės struktūros.
- Jeigu molekulėje yra dvi ar daugiau identiškų radikalų grupių, tai junginio pavadinime vartojami atitinkami priešdėliai, kurie šių radikalų pavadinimus dubliuoja, triguba ir pan. Pavyzdžiui, vietoj posakio „3-metil-5-metil“ vartojamas „3,5-dimetilas“.
- Visi radikalai bendriniame junginio pavadinime rašomi abėcėlės tvarka, o į priešdėlį neatsižvelgiama. Paskutinis radikalas rašomas kartu su pačios grandinės pavadinimu.
- Skaičiai, atspindintys grandinės radikalų skaičius, atskiriami nuo pavadinimų brūkšneliu, o patys skaičiai rašomi atskirti kableliais.
Laikantis IUPAC nomenklatūros taisyklių, lengva nustatyti alkano molekulinę formulę, pavyzdžiui, 2,3-dimetilbutanas turi tokią formą.
Fizinės savybės
Alkanų fizinės savybės labai priklauso nuo anglies grandinės, sudarančios konkretų junginį, ilgio. Pagrindinės savybės yra šios:
- Pirmieji keturi atstovai pagal bendrą alkanų formulę normaliomis sąlygomis yra dujinėje būsenoje, tai yra butanas, metanas, propanas ir etanas. Kalbant apie pentaną ir heksaną, jie jau egzistuoja skysčių pavidalu, o pradedant septyniais anglies atomais, alkanai yra kietos medžiagos.
- Didėjant anglies grandinės ilgiui, didėja junginio tankis, taip pat jo pirmosios eilės fazių virsmų temperatūra, tai yra, lydymosi ir virimo temperatūra.
- Kadangi alkanų medžiagos formulėje cheminio ryšio poliškumas yra nereikšmingas, jie netirpsta poliniuose skysčiuose, pavyzdžiui, vandenyje.
- Atitinkamai, jie gali būti naudojami kaip geri tirpikliai junginiams, tokiems kaip nepoliniai riebalai, aliejai ir vaškai.
- Namų dujinėje viryklėje naudojamas alkanų mišinys, kuriame gausu trečiojo cheminės serijos nario – propano.
- Alkanams degant deguonyje, šilumos pavidalu išsiskiria didelis energijos kiekis, todėl šie junginiai naudojami kaip degusis kuras.
Cheminės savybės
Kadangi alkano molekulėse yra stabilių jungčių, jų reaktyvumas yra mažas, palyginti su kitais organiniais junginiais.
Alkanai praktiškai nereaguoja su joniniais ir poliniais cheminiais junginiais. Rūgščių ir bazių tirpaluose jie elgiasi inertiškai. Alkanai reaguoja tik su deguonimi ir halogenais: pirmuoju atveju kalbame apie oksidacijos procesus, antruoju – apie pakeitimo procesus. Jie taip pat turi tam tikrą cheminį aktyvumą reakcijose su pereinamaisiais metalais.
Visose šiose cheminėse reakcijose svarbų vaidmenį atlieka alkanų anglies grandinės išsišakojimas, tai yra radikalų grupių buvimas juose. Kuo daugiau jų yra, tuo labiau pasikeičia idealus kampas tarp 109,47° jungčių erdvinėje molekulės struktūroje, dėl to jos viduje susidaro įtempiai ir dėl to padidėja tokio junginio cheminis aktyvumas.
Paprastų alkanų reakcija su deguonimi vyksta pagal šią schemą: C n H 2n+2 + (1,5n+0,5)O 2 → (n+1)H 2 O+ nCO 2 .
Reakcijos su chloru pavyzdys parodytas toliau esančioje nuotraukoje.
Alkanų pavojus gamtai ir žmogui
Heptanas, pentanas ir heksanas yra labai degūs skysčiai ir yra pavojingi tiek aplinkai, tiek žmonių sveikatai, nes yra toksiški.
Lentelėje parodyti kai kurie alkanų ir jų radikalų atstovai.
|
Formulė |
vardas |
Radikalus pavadinimas |
|||||||||||
|
CH3 metilas |
|||||||||||||
|
C3H7 pjūvis |
|||||||||||||
|
C4H9 butilas |
|||||||||||||
|
izobutanas |
izobutilas |
||||||||||||
|
izopentano |
izopentilas |
||||||||||||
|
neopentano |
neopentilas |
||||||||||||
|
Lentelėje matyti, kad šie angliavandeniliai vienas nuo kito skiriasi grupių skaičiumi – CH2 – Tokia panašių struktūrų, turinčių panašias chemines savybes ir besiskiriančių viena nuo kitos šių grupių skaičiumi, serija vadinama homologine seka. O medžiagos, sudarančios jį, vadinamos homologais. Homologai - medžiagos, panašios savo struktūra ir savybėmis, tačiau savo sudėtimi skiriasi vienu ar keliais homologiniais skirtumais (-CH2-)
Anglies grandinė – zigzagas (jei n ≥ 3) σ - jungtys (laisvas sukimasis aplink jungtis) ilgis (-C-C-) 0,154 nm surišimo energija (-C-C-) 348 kJ/mol Visi alkano molekulėse esantys anglies atomai yra sp3 hibridizacijos būsenoje
kampas tarp C-C ryšių yra 109°28", todėl normalių alkanų, turinčių daug anglies atomų, molekulės turi zigzaginę struktūrą (zigzagą). C-C jungties ilgis sočiuosiuose angliavandeniliuose yra 0,154 nm (1 nm = 1). *10-9 m). a) elektroninės ir struktūrinės formulės; b) erdvinė struktūra
4. Izomerizmas- Būdinga STRUKTŪRINĖ grandinės izomerija su C4 Vienas iš šių izomerų ( n-butanas) turi nešakotą anglies grandinę, o kita, izobutanas, turi šakotą (izostruktūrą). Anglies atomai šakotoje grandinėje skiriasi jungties su kitais anglies atomais tipu. Taigi vadinamas anglies atomas, sujungtas tik su vienu kitu anglies atomu pirminis, su kitais dviem anglies atomais - antraeilis, su trimis - tretinis, su keturiais - ketvirtinis. Didėjant anglies atomų skaičiui molekulėse, didėja galimybės grandinės išsišakojimui, t.y. izomerų skaičius didėja didėjant anglies atomų skaičiui. Lyginamosios homologų ir izomerų charakteristikos
1. Jie turi savo nomenklatūrą radikalai(angliavandenilių radikalai)
| |||||||||||||
APIBRĖŽIMAS
Alkanai– sotieji (alifatiniai) angliavandeniliai, kurių sudėtis išreiškiama formule C n H 2 n +2.
Alkanai sudaro homologinę seriją, kurios kiekvienas cheminis junginys savo sudėtimi nuo kito ir ankstesnio skiriasi tuo pačiu anglies ir vandenilio atomų skaičiumi - CH 2, o į homologinę seriją įtrauktos medžiagos vadinamos homologais. Homologinė alkanų serija pateikta 1 lentelėje.
1 lentelė. Homologinė alkanų serija.
Alkano molekulėse išskiriami pirminiai (t.y. sujungti vienu ryšiu), antriniai (t.y. sujungti dviem ryšiais), tretiniai (t.y. sujungti trimis ryšiais) ir ketvirtiniai (t.y. sujungti keturiais ryšiais) anglies atomai.
C 1 H3 – C 2 H 2 – C 1 H3 (1 – pirminiai, 2 – antriniai anglies atomai)
CH3 –C3H(CH3) –CH3 (3-tretinis anglies atomas)
CH3 – C4 (CH3) 3 – CH3 (4-ketvirtinis anglies atomas)
Alkanams būdinga struktūrinė izomerija (anglies skeleto izomerija). Taigi, pentanas turi šiuos izomerus:
CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 (pentanas)
CH3 –CH(CH3)-CH2-CH3 (2-metilbutanas)
CH3-C(CH3)2-CH3 (2,2 – dimetilpropanas)
Alkanams, pradedant heptanu, būdinga optinė izomerija.
Sočiųjų angliavandenilių anglies atomai yra sp 3 hibridizacijoje. Kampai tarp ryšių alkano molekulėse yra 109,5.
Alkanų cheminės savybės
Normaliomis sąlygomis alkanai yra chemiškai inertiški – nereaguoja nei su rūgštimis, nei su šarmais. Tai paaiškinama dideliu C-C ir CH ryšių stiprumu. Nepoliniai C-C ir CH ryšiai gali būti suskaidyti tik homolitiškai, veikiami aktyvių laisvųjų radikalų. Todėl alkanai patenka į reakcijas, kurios vyksta radikalų pakeitimo mechanizmu. Radikaliose reakcijose vandenilio atomai pirmiausia pakeičiami tretiniais anglies atomais, tada antriniais ir pirminiais anglies atomais.
Radikalaus pakeitimo reakcijos turi grandininį pobūdį. Pagrindiniai etapai: grandinės branduolių susidarymas (iniciacija) (1) - vyksta veikiant UV spinduliuotei ir veda prie laisvųjų radikalų susidarymo, grandinės augimas (2) - vyksta dėl vandenilio atomo abstrahavimo iš alkano molekulės. ; grandinės pabaiga (3) – įvyksta susidūrus dviem vienodiems arba skirtingiems radikalams.
X:X → 2X . (1)
R:H+X . → HX + R . (2)
R . + X:X → R:X + X . (2)
R . + R . → R:R (3)
R . +X . → R:X (3)
X . +X . → X:X (3)
Halogeninimas. Kai alkanai sąveikauja su chloru ir bromu, veikiant UV spinduliuotei arba aukštai temperatūrai, susidaro produktų mišinys iš mono- ir polihalogenais pakeistų alkanų:
CH 3 Cl + Cl 2 = CH 2 Cl 2 + HCl (dichlormetanas)
CH 2 Cl 2 + Cl 2 = CHCl 3 + HCl (trichlormetanas)
CHCl 3 + Cl 2 = CCl 4 + HCl (anglies tetrachloridas)
Nitravimas (Konovalov reakcija). Kai praskiesta azoto rūgštis veikia alkanus esant 140C ir žemam slėgiui, įvyksta radikali reakcija:
CH 3 -CH 3 + HNO 3 = CH 3 -CH 2 -NO 2 (nitroetanas) + H 2 O
Sulfochlorinimas ir sulfoksidacija. Tiesioginis alkanų sulfoninimas yra sunkus ir dažniausiai jį lydi oksidacija, dėl kurios susidaro alkansulfonilchloridai:
R-H + SO 2 + Cl 2 → R-SO 3 Cl + HCl
Sulfoninės oksidacijos reakcija vyksta panašiai, tik šiuo atveju susidaro alkansulfoninės rūgštys:
R-H + SO 2 + ½ O 2 → R-SO 3 H
Įtrūkimai– radikalus C-C ryšių skilimas. Atsiranda kaitinant ir esant katalizatoriams. Krekingo aukštesniems alkanams susidaro alkenai; krekingo metanas ir etanas – acetilenas:
C 8 H 18 = C 4 H 10 (butanas) + C 3 H 8 (propanas)
2CH4 = C2H2 (acetilenas) + 3H2
Oksidacija. Lengvai oksiduojant metaną atmosferos deguonimi gali susidaryti metanolis, skruzdžių aldehidas arba skruzdžių rūgštis. Ore alkanai sudega į anglies dioksidą ir vandenį:
C n H 2 n +2 + (3n+1)/2 O 2 = nCO 2 + (n+1) H 2 O
Alkanų fizinės savybės
Normaliomis sąlygomis C 1 - C 4 yra dujos, C 5 - C 17 yra skysčiai, o nuo C 18 yra kietos medžiagos. Alkanai praktiškai netirpsta vandenyje, bet gerai tirpsta nepoliniuose tirpikliuose, pavyzdžiui, benzene. Taigi metanas CH 4 (pelkės, kasyklų dujos) yra bespalvės ir bekvapės dujos, gerai tirpios etanolyje, eteryje, angliavandeniliuose, bet blogai tirpsta vandenyje. Metanas naudojamas kaip kaloringas kuras gamtinėse dujose, kaip žaliava vandenilio, acetileno, chloroformo ir kitų organinių medžiagų gamybai pramoniniu mastu.
Propanas C 3 H 8 ir butanas C 4 H 10 yra dujos, naudojamos kasdieniame gyvenime kaip buteliuose išpilstytos dujos, nes jos lengvai suskystėja. Propanas naudojamas kaip automobilių kuras, nes yra ekologiškesnis nei benzinas. Butanas yra žaliava 1,3-butadienui gaminti, kuris naudojamas sintetinio kaučiuko gamyboje.
Alkanų paruošimas
Alkanai gaunami iš natūralių šaltinių – gamtinių dujų (80–90 % – metano, 2–3 % – etano ir kitų sočiųjų angliavandenilių), anglies, durpių, medienos, naftos ir akmens vaško.
Yra laboratoriniai ir pramoniniai alkanų gamybos metodai. Pramonėje alkanai gaunami iš bituminės akmens anglies (1) arba Fišerio-Tropšo reakcijos būdu (2):
nC + (n+1)H2 = C n H2 n +2 (1)
nCO + (2n+1)H2 = Cn H2 n +2 + H2O (2)
Laboratoriniai alkanų gamybos metodai apima: nesočiųjų angliavandenilių hidrinimą kaitinant ir esant katalizatoriams (Ni, Pt, Pd) (1), vandens sąveiką su organiniais metalo junginiais (2), karboksirūgščių elektrolizę (3), dekarboksilinimo reakcijos (4) ir Wurtz (5) ir kitais būdais.
R1 -C≡C-R2 (alkinas) → R1 -CH = CH-R2 (alkenas) → R1 -CH2 – CH2 -R2 (alkanas) (1)
R-Cl + Mg → R-Mg-Cl + H 2 O → R-H (alkanas) + Mg(OH)Cl (2)
CH 3 COONa↔ CH 3 COO — + Na +
2CH 3 COO - → 2CO 2 + C 2 H 6 (etanas) (3)
CH 3 COONa + NaOH → CH 4 + Na 2 CO 3 (4)
R1 -Cl +2Na +Cl-R2 → 2NaCl + R1 -R2 (5)
Problemų sprendimo pavyzdžiai
1 PAVYZDYS
| Pratimas | Nustatykite chloro masę, reikalingą pirmojo etapo chloravimui 11,2 litro metano. |
| Sprendimas | Parašykime pirmosios metano chlorinimo pakopos reakcijos lygtį (t. y. halogeninimo reakcijoje pakeičiamas tik vienas vandenilio atomas, todėl susidaro monochloro darinys): CH 4 + Cl 2 = CH 3 Cl + HCl (metano chloridas) Raskime metano medžiagos kiekį: v(CH4) = V(CH4)/V m v(CH4) = 11,2/22,4 = 0,5 mol Pagal reakcijos lygtį chloro molių skaičius ir metano molių skaičius yra lygus 1 mol, todėl praktinis chloro ir metano molių skaičius taip pat bus toks pat ir bus lygus: v(Cl2) = v(CH4) = 0,5 mol Žinodami chloro medžiagos kiekį, galite sužinoti jo masę (tai, kas pateikta probleminiame klausime). Chloro masė apskaičiuojama kaip chloro medžiagos kiekio ir jo molinės masės sandauga (1 molio chloro molekulinė masė; molekulinė masė apskaičiuojama naudojant D. I. Mendelejevo cheminių elementų lentelę). Chloro masė bus lygi: m (Cl 2) = v (Cl 2) × M (Cl 2) m(Cl 2) = 0,5 × 71 = 35,5 g |
| Atsakymas | Chloro masė yra 35,5 g |
